Lektion 87.11 Lissitzky P.A.

Programmteil: "Magnetfeld"

Unterrichtsthema: „Das Phänomen der Selbstinduktion. Induktivität. Die Energie des Magnetfeldes. Probleme lösen"

Zweck: Der Schüler muss die Essenz des Phänomens der Selbstinduktion und des Gesetzes der Selbstinduktion sowie das Konzept der Induktivität und der Magnetfeldenergie lernen.

Unterrichtsziele.

Lehrreich:

Die Essenz des Phänomens der Selbstinduktion aufzudecken;

Leiten Sie das Gesetz der Selbstinduktion her und geben Sie den Begriff der Induktivität an, sowie leiten Sie die Formel für die Energie eines Magnetfeldes grafisch her.

Lehrreich:

Zeigen Sie die Bedeutung von Ursache-Wirkungs-Beziehungen für die Erkennbarkeit von Phänomenen auf.

Denkentwicklung:

Arbeiten Sie an der Bildung von Fähigkeiten, um den Hauptgrund zu identifizieren, der das Ergebnis beeinflusst (um "Wachsamkeit" bei der Suche zu bilden);

Arbeiten Sie weiter an der Bildung von Fähigkeiten, um Schlussfolgerungen zu ziehen.

Unterrichtsart: Unterrichtsstunde zum Erlernen von neuem Stoff.

Bildungstechnologien: Elemente der Technologie zur Erweiterung von didaktischen Einheiten (UDE).

Während des Unterrichts.

1. Initialisierung des Unterrichts (gegenseitige Begrüßung von Lehrer und Schülern, Bereitschaft zum Unterricht etc.)

2. Einführung in den Unterrichtsplan.

Zuerst werden wir gemeinsam tiefes Wissen bestaunen – und dazu führen wir eine kleine mündliche Befragung durch. Dann werden wir versuchen, die Frage zu beantworten: Was ist das Wesen des Phänomens der Selbstinduktion? Was ist Induktivität? Wie berechnet man die Energie eines Magnetfelds? Dann werden wir unser Gehirn trainieren - wir werden Probleme lösen. Und schließlich werden wir etwas Wertvolles aus den Vertiefungen der Erinnerung herausholen - das Phänomen der elektromagnetischen Induktion (ein Thema zur Wiederholung).

2. Konversation zum Thema „Phänomene der elektromagnetischen Induktion“ steuern.

Was ist das Phänomen der elektromagnetischen Induktion?

Formel des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion.

Wie liest sich das Gesetz der elektromagnetischen Induktion?

Formel für Induktionsstrom bei geschlossenem Stromkreis?

Formel des magnetischen Flusses.

Die Formel für den Betrag des magnetischen Induktionsvektors in der Spule.

3. Arbeiten Sie am studierten Material.

Problematische Erfahrung.

Zusammengebauter Stromkreis. Wir schließen es und stellen es mit einem Rheostat so ein, dass die Glühbirnen 1 und 2 mit der gleichen Intensität brennen. Jetzt öffnen wir den Stromkreis und schließen ihn wieder. Glühlampe 1, in deren Schaltung sich ein Stromkreis (eine Spule mit einer großen Anzahl von Kupferdrahtwindungen) befindet, leuchtet viel später mit voller Hitze als Glühlampe 2.

Wenn der Stromkreis geöffnet wird, erlischt dagegen die Glühbirne 1, in deren Stromkreis sich ein Stromkreis (eine Spule mit einer großen Anzahl von Windungen aus Kupferdraht) befindet, viel später als die Glühbirne 2.

Projiziert durch einen Computer und Beamer-Dias, um sich auf das Schlüsselerlebnis des Themas zu konzentrieren.

Das Problem wird formuliert: Was ist der Grund für dieses Phänomen?

Unmittelbar nach dem Schließen des Schlüssels liegt an beiden Zweigen AB und CD Spannung an. Im CD-Zweig leuchtet fast augenblicklich die Lampe 2 auf, denn die Anzahl der Windungen im Rheostat ist klein, dann erreicht das Magnetfeld fast sofort seinen Maximalwert. Eine andere Sache Zweig AB. Bevor die Taste K geschlossen wurde, war kein Magnetfeld in der Spule, und nachdem die Taste geschlossen wurde, entsteht ein Strom, der ansteigt. Gleichzeitig steigt auch die Induktion des Magnetfeldes, das die eigenen Zweige der Spule durchdringt. In jeder der vielen Windungen wird ei induziert, gerichtet gegen die externe EMF (e)

Als Selbstinduktion wird das Phänomen des Auftretens von EMF in demselben geschlossenen Stromkreis bezeichnet, durch den Wechselstrom fließt. Finden wir die Induktivitätsformel für diese Spule.

magnetischer Fluss

Modul des Vektors der magnetischen Induktion in der Spule B=m 0 mnI

Die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit, dann ist der magnetische Fluss in der Spule , oder F = LI (1)

Die Induktivität ist eine physikalische Größe, die für eine gegebene Spule konstant ist und gleich , [L]=1H= (2)

Die Induktivität des Leiters ist gleich 1H, wenn darin bei Änderung der Stromstärke um 1A für 1s eine EMK der Selbstinduktion von 1V induziert wird.

Die physikalische Bedeutung der Induktivität. Die Induktivität ist eine physikalische Größe, die numerisch der EMF der Selbstinduktion entspricht, die im Stromkreis auftritt, wenn sich der Strom in einer Sekunde um 1 Ampere ändert.

Die Induktivität hängt wie die elektrische Kapazität von geometrischen Faktoren ab: der Größe des Leiters und seiner Form, hängt jedoch nicht direkt von der Stromstärke im Leiter ab. Die Induktivität hängt neben der Geometrie des Leiters von den magnetischen Eigenschaften des Mediums () ab, in dem sich der Leiter befindet.

Der magnetische Fluss in der Spule ist direkt proportional zur Stromstärke. Das Gesetz der Selbstinduktion Die in der Spule auftretende EMK der Induktion ist direkt proportional zur Änderungsgeschwindigkeit der Stromstärke, mit entgegengesetztem Vorzeichen genommen. Die Formel des Selbstinduktionsgesetzes (3) Die Ableitung der Formel für die Energie des Magnetfelds durch eine graphische Methode. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Energie des Magnetfelds ist: Joule, daraus ergibt sich unter Berücksichtigung von f.(1): (4) Die volumetrische Energiedichte ist der Wert, der durch die pro Volumeneinheit ankommende Energie bestimmt wird. Die volumetrische Energiedichte des Magnetfeldes ist: (5)

Mit den Formeln und B=m 0 mnI. Von hier.

Dann ist die Energie des Magnetfelds gleich:

Die volumetrische Energiedichte (magnetischer Druck) ist gleich (6).

Wenden wir die Bildungstechnologie UDE an. Betrachten Sie dazu eine Analogatabelle zwischen mechanischen, elektrischen und magnetischen Größen.

Mechanisch	Magnetisch
Das Phänomen der Trägheit	Das Phänomen der Selbstinduktion Induktivität

Mechanisch	Elektrisch
Deformationsphänomen Steifigkeitsfaktor	Kondensatorladephänomen Elektrische Kapazität

Wir betonen, dass der magnetische Fluss dem Impuls des Teilchens ähnlich ist

Konsolidierung des Unterrichtsmaterials.

Welches Phänomen nennt man Selbstinduktion?

Erklären Sie, warum in einem geschlossenen Stromkreis, durch den ein Strom fließt, der sich entweder in Größe oder Richtung ändert, zwangsläufig ein anderer Strom entsteht, der als Selbstinduktionsstrom bezeichnet wird?

Welchen Wert hat der magnetische Druck?

Probleme lösen.

Aufgabe Nummer 1. Wie ändert sich der Strom, wenn der Stromkreis geschlossen ist, dessen Schaltung in der Abbildung dargestellt ist.

Wenn es keine Induktivität im Stromkreis gäbe, würde der Strom fast sofort auf seinen Maximalwert ansteigen. Tatsächlich erreicht die Stromstärke mit der Zeit t 1 allmählich ein Maximum. Dies liegt an der Tatsache, dass in der Spule EMF-Selbstinduktion. Die Stromstärke wird nun nicht nur durch die EMK der Quelle, sondern auch durch die EMK der Induktion bestimmt. Der induktive Strom richtet sich gegen den Strom, der bei einem Kurzschluss von der Stromquelle erzeugt wird.

Aufgabe Nr. 2 Wie groß ist die Induktivität der Spule, wenn bei einer allmählichen Änderung der Stromstärke von 5 auf 10 A in 0,1 s eine EMK der Selbstinduktion von 20 V auftritt?

Aufgabe Nr. 3 In einer Spule mit einer Induktivität von 0,6 H beträgt die Stromstärke 20 A. Welche Energie hat das Magnetfeld dieser Spule? Wie ändert sich die Feldenergie, wenn der Strom halbiert wird?

Hausaufgaben und Anweisungen: §11.6; Nr. 5-6 Übung 22 Die Ergebnisse der Lektion. Betrachtung.

Zweifellos werden der problembasierte Ansatz, neue Technologien (UDE), die Überwindung von PPB und wissenschaftliche Methoden ihrer Anwendung bei der Lösung von Problemen von so großer Bedeutung einem nachdenklichen Forscher, der an der Entwicklung des Intellekts begabter Schulkinder beteiligt ist, mehr als ein Geheimnis enthüllen .

Wir haben bereits untersucht, dass in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters ein Magnetfeld entsteht. Und untersuchte auch, dass ein variables Magnetfeld einen Strom erzeugt (das Phänomen der elektromagnetischen Induktion). Stellen Sie sich einen Stromkreis vor. Wenn sich die Stromstärke in diesem Stromkreis ändert, tritt eine Änderung des Magnetfelds auf, wodurch im selben Stromkreis eine zusätzliche Spannung auftritt. Induktionsstrom. Ein solches Phänomen wird genannt Selbstinduktion, und der resultierende Strom wird aufgerufen Selbstinduktionsstrom.

Das Phänomen der Selbstinduktion- Dies ist das Auftreten einer EMF in einem leitenden Stromkreis, die aufgrund einer Änderung der Stromstärke im Stromkreis selbst erzeugt wird.

Schleifeninduktivität hängt von seiner Form und Größe, von den magnetischen Eigenschaften der Umgebung und nicht von der Stromstärke im Stromkreis ab.

Die EMF der Selbstinduktion wird durch die Formel bestimmt:

Das Phänomen der Selbstinduktion ähnelt dem Phänomen der Trägheit. So wie es in der Mechanik unmöglich ist, einen sich bewegenden Körper sofort anzuhalten, so kann der Strom aufgrund des Phänomens der Selbstinduktion nicht sofort einen bestimmten Wert annehmen. Wenn eine Spule in Reihe mit der zweiten Lampe in einem Stromkreis geschaltet wird, der aus zwei identischen Lampen besteht, die parallel an eine Stromquelle angeschlossen sind, leuchtet beim Schließen des Stromkreises die erste Lampe fast sofort und die zweite mit einer merklichen Verzögerung auf.

Wenn der Stromkreis geöffnet wird, nimmt die Stromstärke schnell ab, und die resultierende Selbstinduktions-EMK verhindert, dass der magnetische Fluss abnimmt. In diesem Fall wird der induzierte Strom genauso geleitet wie der ursprüngliche. Die selbstinduzierte EMK kann um ein Vielfaches größer sein als die externe EMK. Daher brennen Glühbirnen sehr oft durch, wenn das Licht ausgeschaltet wird.

Magnetfeldenergie

Die Energie des Magnetfeldes des Stromkreises.

Fließt in einem Stromkreis ein sich ändernder elektrischer Strom, so bewirkt die Stromänderung eine Änderung des eigenen Magnetfeldes. In einem Leiter mit Strom, der sich in einem sich ändernden eigenen Magnetfeld befindet, tritt das Phänomen der elektromagnetischen Induktion auf, dessen Charakteristik ist emf Selbstinduktion.

Das eigene Magnetfeld des Stroms im Stromkreis erzeugt einen magnetischen Fluss Ф S durch die durch den Stromkreis selbst begrenzte Oberfläche. Der magnetische Fluss Ф S wird genannt Schleifen-Selbstinduktionsfluss . Befindet sich der Stromkreis nicht in einer ferromagnetischen Umgebung, dann ist Ф S proportional zur Stromstärke I im Stromkreis: Ä s = LI.

Der Wert L wird als Induktivität des Stromkreises bezeichnet und ist wie der Widerstand seine elektrische Eigenschaft R Kontur und andere Merkmale. Bedeutung L hängt von den Abmessungen des Schaltkreises, seiner geometrischen Form und der relativen magnetischen Permeabilität des Mediums ab, in dem sich der Schaltkreis befindet. Beispielsweise für eine ausreichend lange Magnetspule der Länge l und die Querschnittsfläche der Spule S mit der Gesamtzahl der Spulen N, deren magnetische Induktion im Inneren die Form hat B \u003d mu 0 NI,

Induktivität ist,

wo μo\u003d 4π 10 -7 H / m - magnetische Konstante, μ - relative magnetische Permeabilität des Mediums, - Windungszahl pro Längeneinheit, V = Sl ist das Volumen des Solenoids.

Nach dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion, EMK Selbstinduktion ε ist gleich .

Wenn der Stromkreis nicht verformt wird und die relative magnetische Permeabilität des Mediums konstant ist, ist die Induktivität des Stromkreises konstant. Dann ist ε nur proportional zur Änderungsgeschwindigkeit der Stromstärke: .

Unter dem Einfluss ε ich s im Stromkreis entsteht ein Induktionsstrom I s , der nach der Lenzschen Regel der Stromänderung im Stromkreis entgegenwirkt, die das Phänomen der Selbstinduktion verursacht hat. Der dem Hauptstrom überlagerte Strom I s verlangsamt seinen Anstieg oder verhindert seinen Abfall. Die Induktivität einer Schleife ist ein Maß für ihre "Trägheit" gegenüber einer Stromänderung in der Schleife. In diesem Sinne spielt die Induktivität L des Stromkreises in der Elektrodynamik die gleiche Rolle wie die Masse eines Körpers in der Mechanik.

Um einen Strom I in einem Stromkreis mit der Induktivität L zu erzeugen, muss Arbeit geleistet werden, um die EMK zu überwinden. Selbstinduktion. Eigenenergie W m . Stromkraft I ist ein Wert, der numerisch dieser Arbeit entspricht:

Die Eigenenergie des Stroms konzentriert sich in dem vom stromdurchflossenen Leiter erzeugten Magnetfeld. Daher sprechen sie über die Energie des Magnetfelds, und es wird angenommen, dass die Eigenenergie des Stroms im gesamten Raum verteilt ist, in dem ein Magnetfeld vorhanden ist. Die Energie des Magnetfelds ist gleich der Eigenenergie des Stroms. Energie eines homogenen Magnetfeldes konzentriert im Volumen V eines isotropen und nicht ferromagnetischen Mediums, ,

wo BEIM- Magnetfeldinduktion.

Die volumetrische Energiedichte ω m des Magnetfelds ist die in der Volumeneinheit des Felds enthaltene Energie:

Für ein Magnetfeld in einem isotropen und nicht ferromagnetischen Medium.

Dieser Ausdruck gilt nicht nur für ein homogenes Feld, sondern auch für beliebige, auch zeitlich veränderliche Magnetfelder.

Außerdem müssen Sie die folgenden Formeln kennen: um die magnetische Induktion eines geraden Leiters zu berechnen

wobei r der Abstand vom Leiter zum Feldpunkt ist

Induktion des Magnetfeldes des Kreisstroms (r-Radius der Spule)

Das Prinzip der Überlagerung magnetischer Felder

Vektormodul B:

Der Strom, der durch einen leitenden Stromkreis fließt, erzeugt um ihn herum ein Magnetfeld. Der mit dem Stromkreis gekoppelte magnetische Fluss Ф ist direkt proportional zur Stromstärke in diesem Stromkreis: Ф=LI, wobei L die Induktivität des Stromkreises ist. Die Induktivität eines Leiters hängt von seiner Form, seinen Abmessungen sowie von den Eigenschaften der Umgebung ab. Da der Induktionsstrom durch eine Änderung der Stromstärke im Leiter selbst verursacht wird, wird dieses Phänomen des Auftretens eines Induktionsstroms als Selbstinduktion bezeichnet, und die resultierende EMK ist die Selbstinduktions-EMK. Selbstinduktion ist ein Spezialfall des Phänomens der elektromagnetischen Induktion. Wenn sich I linear mit der Zeit ändert, dann ist E ci = - (Ф/t)= - L(I/t), wobei I/t die Änderungsrate des Stroms ist. Diese Formel gilt nur für L=const. Induktivität - ein Wert, der numerisch der EMK der Selbstinduktion entspricht, die im Stromkreis auftritt, wenn sich die Stromstärke darin um eine Einheit pro Zeiteinheit ändert. In SI ist die Einheit der Induktivität die Induktivität eines solchen Leiters, bei dem bei einer Stromänderung von 1A in 1s eine Selbstinduktions-EMK von 1V entsteht. Diese Einheit heißt Henry (Hn): 1Hn=1V*s/A.

Magnetfeldenergie, die durch den Strom erzeugt wird, ist nach dem Energieerhaltungssatz gleich der Energie, die von der Quelle aufgewendet wird, um den Strom zu erzeugen. Wenn der Stromkreis geschlossen ist, erreicht der Strom im Stromkreis aufgrund der Selbstinduktion nicht den Maximalwert I 0, sondern allmählich. Wenn der Stromkreis durchnässt wird, verschwindet der Strom auch nicht sofort, sondern allmählich, während Wärme im Leiter freigesetzt wird. Da der Stromkreis offen ist, kann diese Wärme nicht durch die Arbeit der Quelle freigesetzt werden, sondern kann nur eine Folge der im Solenoid gespeicherten Energie sein, der Energie des Magnetfelds. Die Energie des Magnetfelds des Solenoids wird, wenn der Strom vollständig unterbrochen wird, in Joulesche Wärme umgewandelt. Der Ausdruck für das Magnetfeld des Solenoids lautet: W m = LI 2 /2.

Das Phänomen der Selbstinduktion. Induktivität

Ein elektrischer Strom, der durch einen Leiter fließt, erzeugt um ihn herum ein Magnetfeld. Der magnetische Fluss durch den Stromkreis von diesem Leiter ist proportional zum Modul der Magnetfeldinduktion innerhalb des Stromkreises, und die Magnetfeldinduktion ist wiederum proportional zur Stromstärke im Leiter. Daher ist der magnetische Fluss durch den Stromkreis direkt proportional zur Stromstärke im Stromkreis:

Der Proportionalitätskoeffizient zwischen der Stromstärke im Stromkreis und dem durch diesen Strom erzeugten magnetischen Fluss wird als Induktivität bezeichnet. Die Induktivität hängt von der Größe und Form des Leiters ab, von den magnetischen Eigenschaften des Mediums, in dem sich der Leiter befindet.

Die Einheit der Induktivität im internationalen System wird genommen Henry. Die Induktivität des Stromkreises ist 1 H, wenn bei einer Stromstärke von 1 A der magnetische Fluss durch den Stromkreis 1 Wb beträgt:

Wenn sich die Stromstärke in der Spule ändert, ändert sich der durch diesen Strom erzeugte magnetische Fluss. Eine Änderung des Magnetfelds, das die Spule durchdringt, sollte das Auftreten einer Induktions-EMK in der Spule verursachen. Das Phänomen des Auftretens von Induktions-EMK in einem Stromkreis als Folge einer Änderung der Stromstärke in diesem Stromkreis wird genannt Selbstinduktion.

Gemäß der Lenz-Regel verhindert die EMK der Selbstinduktion den Anstieg der Stromstärke beim Einschalten des Stromkreises und den Abfall der Stromstärke beim Ausschalten des Stromkreises.

Die in der Spule auftretende Selbstinduktions-EMK ist nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion gleich

, d.h.

Die EMK der Selbstinduktion ist direkt proportional zur Induktivität der Spule und der Änderungsrate der Stromstärke in der Spule.

Ein Element eines Stromkreises hat eine Induktivität von 1 H, wenn in ihm bei einer gleichmäßigen Änderung der Stromstärke im Stromkreis um 1 A für 1 s eine EMK der Selbstinduktion von 1 V auftritt.

Das elektrische Feld, das entsteht, wenn sich das Magnetfeld ändert, hat eine völlig andere Struktur als das elektrostatische. Es ist nicht direkt mit elektrischen Ladungen verbunden, und seine Spannungslinien können nicht an ihnen beginnen und enden. Sie beginnen oder enden im Allgemeinen nirgendwo, sondern sind geschlossene Linien, ähnlich den Linien der Magnetfeldinduktion. Dies ist das sogenannte elektrische Wirbelfeld. Es stellt sich die Frage: Warum heißt dieses Feld eigentlich elektrisch? Schließlich hat es einen anderen Ursprung und eine andere Konfiguration als das statische elektrische Feld. Die Antwort ist einfach: Das Wirbelfeld wirkt auf die Ladung q ebenso wie das elektrostatische, und wir betrachteten und betrachten dies als die Haupteigenschaft des Feldes. Die auf die Ladung wirkende Kraft ist still F= qE, wo E- Intensität des Wirbelfeldes.

Wenn der magnetische Fluss durch ein gleichmäßiges Magnetfeld erzeugt wird, das in einem langen, schmalen zylindrischen Rohr mit einem Radius von r 0 konzentriert ist (Abb. 5.8), dann ist es aus Symmetrieüberlegungen offensichtlich, dass die Linien der elektrischen Feldstärke in Ebenen senkrecht zu liegen die Linien B und sind Kreise. Gemäß der Lenz-Regel mit zunehmendem Magnetismus

Induktionslinien der Spannung E bilden eine linke Schraube mit der Richtung der magnetischen Induktion B.

Im Gegensatz zu einem statischen oder stationären elektrischen Feld ist die Arbeit eines Wirbelfeldes auf einer geschlossenen Bahn nicht gleich Null. Bewegt sich eine Ladung entlang einer geschlossenen Linie der elektrischen Feldstärke, so hat die Arbeit auf allen Streckenabschnitten das gleiche Vorzeichen, da Kraft und Weg richtungsgleich sind. Ein elektrisches Wirbelfeld ist wie ein Magnetfeld kein Potential.

Die Arbeit des elektrischen Wirbelfeldes beim Bewegen einer einzelnen positiven Ladung entlang eines geschlossenen festen Leiters ist numerisch gleich der Induktions-EMK in diesem Leiter.

Fließt ein Wechselstrom durch die Spule, so ändert sich der magnetische Fluss, der die Spule durchdringt. Daher tritt eine Induktions-EMK in demselben Leiter auf, durch den der Wechselstrom fließt. Dieses Phänomen wird als Selbstinduktion bezeichnet.

Bei der Selbstinduktion spielt der leitende Stromkreis eine doppelte Rolle: Ein Strom fließt durch ihn und verursacht eine Induktion, und eine Induktions-EMK tritt darin auf. Ein sich änderndes Magnetfeld induziert eine EMF in genau dem Leiter, durch den der Strom fließt, und erzeugt dieses Feld.

Im Moment des Stromanstiegs ist die Intensität des elektrischen Wirbelfeldes gemäß der Lenz-Regel gegen den Strom gerichtet. Daher verhindert in diesem Moment das Wirbelfeld, dass der Strom ansteigt. Im Gegenteil, in dem Moment, in dem der Strom abnimmt, unterstützt ihn das Wirbelfeld.

Dies führt dazu, dass sich beim Schließen eines Stromkreises, der eine Quelle konstanter EMK enthält, nicht sofort ein bestimmter Wert der Stromstärke einstellt, sondern allmählich über die Zeit (Abb. 5.13). Wenn die Quelle andererseits abgeschaltet wird, hört der Strom in geschlossenen Kreisen nicht sofort auf. Die resultierende EMK der Selbstinduktion kann die EMK der Quelle übersteigen, da die Änderung des Stroms und seines Magnetfelds sehr schnell erfolgt, wenn die Quelle ausgeschaltet wird.

Das Phänomen der Selbstinduktion kann in einfachen Experimenten beobachtet werden. Abbildung 5.14 zeigt eine Parallelschaltung zweier identischer Lampen. Einer von ihnen ist über einen Widerstand mit der Quelle verbunden R, und der andere in Reihe mit der Spule L mit Eisenkern. Wenn der Schlüssel geschlossen ist, blinkt die erste Lampe fast sofort und die zweite - mit einer merklichen Verzögerung. Die selbstinduzierte EMK im Stromkreis dieser Lampe ist groß und der Strom erreicht nicht sofort seinen Maximalwert. Das Auftreten einer EMF der Selbstinduktion beim Öffnen kann in einem Experiment mit einer Schaltung beobachtet werden, die schematisch in Abbildung 5.15 gezeigt ist. Wenn der Schlüssel in der Spule geöffnet wird L Es tritt eine EMF der Selbstinduktion auf, die den Anfangsstrom aufrechterhält. Dadurch fließt im Moment des Öffnens ein Strom durch das Galvanometer (gestrichelter Pfeil), der gegen den Anfangsstrom vor dem Öffnen (durchgezogener Pfeil) gerichtet ist. Darüber hinaus übersteigt die Stromstärke beim Öffnen des Stromkreises die Stärke des Stroms, der durch das Galvanometer fließt, wenn der Schlüssel geschlossen ist. Dies bedeutet, dass die EMF der Selbstinduktion ξ. mehr EMK ξ ist Zellenbatterien.

Das Phänomen der Selbstinduktion ähnelt dem Phänomen der Trägheit in der Mechanik. Trägheit führt also dazu, dass der Körper unter Krafteinwirkung nicht sofort eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht, sondern allmählich. Der Körper kann nicht sofort abgebremst werden, egal wie groß die Bremskraft ist. Ebenso nimmt die Stromstärke aufgrund der Selbstinduktion beim Schließen des Stromkreises nicht sofort einen bestimmten Wert an, sondern steigt allmählich an. Beim Ausschalten der Quelle stoppen wir den Strom nicht sofort. Selbstinduktion hält es für einige Zeit aufrecht, trotz des Vorhandenseins eines Schaltungswiderstands.

Um die Geschwindigkeit des Körpers zu erhöhen, muss nach den Gesetzen der Mechanik Arbeit verrichtet werden. Beim Bremsen leistet der Körper selbst positive Arbeit. Um einen Strom zu erzeugen, muss auf die gleiche Weise gegen das elektrische Wirbelfeld gearbeitet werden, und wenn der Strom verschwindet, leistet dieses Feld selbst positive Arbeit.

Dies ist nicht nur eine oberflächliche Analogie. Es hat eine tiefe innere Bedeutung. Schließlich ist Strom eine Ansammlung sich bewegender geladener Teilchen. Mit zunehmender Geschwindigkeit der Elektronen ändert sich das von ihnen erzeugte Magnetfeld und erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld, das auf die Elektronen selbst wirkt und eine sofortige Erhöhung ihrer Geschwindigkeit unter Einwirkung einer äußeren Kraft verhindert. Beim Bremsen hingegen hält das Wirbelfeld die Elektronengeschwindigkeit konstant (Lenz-Regel). Somit ist die Trägheit von Elektronen und damit ihre Masse zumindest teilweise elektromagnetischen Ursprungs. Masse kann nicht vollständig elektromagnetisch sein, da es elektrisch neutrale Teilchen gibt, die eine Masse haben (Neutronen usw.)

Induktivität.

Der Modul B der vom Strom erzeugten magnetischen Induktion in einem geschlossenen Stromkreis ist proportional zur Stromstärke. Da der magnetische Fluss F proportional zu B ist, gilt F ~ B ~ I.

Es kann also argumentiert werden

wo L- Proportionalitätskoeffizient zwischen dem Strom im leitenden Stromkreis und dem von ihm erzeugten magnetischen Fluss, der diesen Stromkreis durchdringt. der Wert L wird die Induktivität des Stromkreises oder sein Selbstinduktionskoeffizient genannt.

Unter Verwendung des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion und des Ausdrucks (5.7.1) erhalten wir die Gleichheit:

(5.7.2)

Aus Formel (5.7.2) folgt das Induktivität- Dies ist eine physikalische Größe, die numerisch gleich der EMF der Selbstinduktion ist, die im Stromkreis auftritt, wenn sich die Stromstärke um 1 A pro ändert 1 Sek.

Die Induktivität hängt wie die elektrische Kapazität von geometrischen Faktoren ab: der Größe des Leiters und seiner Form, hängt jedoch nicht direkt von der Stromstärke im Leiter ab. Außer

Geometrie des Leiters hängt die Induktivität von den magnetischen Eigenschaften des Mediums ab, in dem sich der Leiter befindet.

Die SI-Einheit der Induktivität heißt Henry (H). Die Induktivität des Leiters ist 1 GN, wenn drin, wenn sich die Stromstärke durch ändert 1 A hinter 1s EMF der Selbstinduktion tritt auf 1 V:

Ein weiterer Spezialfall der elektromagnetischen Induktion ist die gegenseitige Induktion. Als gegenseitige Induktion bezeichnet man das Auftreten eines induktiven Stroms in einem geschlossenen Stromkreis(Spule) bei Änderung der Stromstärke im Nachbarkreis(Spule). Die Stromkreise sind relativ zueinander fixiert, wie beispielsweise die Spulen eines Transformators.

Quantitativ wird die gegenseitige Induktion durch den Koeffizienten der gegenseitigen Induktion oder der gegenseitigen Induktivität gekennzeichnet.

Abbildung 5.16 zeigt zwei Schaltungen. Bei Änderung der Stromstärke I 1 im Stromkreis 1 in Kontur 2 es gibt einen induktiven Strom I 2 .

Der magnetische Induktionsfluss Ф 1.2, der durch den Strom im Primärkreis erzeugt wird und die vom zweiten Kreis begrenzte Oberfläche durchdringt, ist proportional zur Stromstärke I 1:

Der Proportionalitätskoeffizient L 1, 2 wird als Gegeninduktivität bezeichnet. Sie ist ähnlich wie die Induktivität L.

Die Induktions-EMK im zweiten Stromkreis ist nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion gleich:

Der Koeffizient L 1,2 wird durch die Geometrie beider Kreise, den Abstand zwischen ihnen, ihre gegenseitige Anordnung und die magnetischen Eigenschaften der Umgebung bestimmt. Die Gegeninduktivität wird ausgedrückt L 1,2, sowie die Induktivität L, in Henry.

Ändert sich die Stromstärke im zweiten Stromkreis, so entsteht im ersten Stromkreis eine Induktions-EMK

Wenn sich die Stromstärke im Leiter ändert, entsteht in diesem ein elektrisches Wirbelfeld. Dieses Feld verlangsamt die Elektronen, wenn der Strom zunimmt, und beschleunigt sie, wenn der Strom abnimmt.

Die Energie des Magnetfeldes des Stroms.

Beim Schließen eines Stromkreises, der eine Quelle konstanter EMK enthält, wird die Energie der Stromquelle zunächst dafür aufgewendet, einen Strom zu erzeugen, d.h. die Elektronen des Leiters in Bewegung zu versetzen und ein mit dem Strom verbundenes Magnetfeld zu bilden, und auch teilweise bei der Erhöhung der inneren Energie des Leiters, d. h. bei seiner Erwärmung. Nachdem sich ein konstanter Wert der Stromstärke eingestellt hat, wird die Energie der Quelle ausschließlich für die Wärmeabgabe aufgewendet. Die aktuelle Energie ändert sich nicht.

Um einen Strom zu erzeugen, muss Energie aufgewendet werden, d. h. es muss Arbeit verrichtet werden. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass beim Schließen des Stromkreises, wenn der Strom zu steigen beginnt, im Leiter ein elektrisches Wirbelfeld auftritt, das dem elektrischen Feld entgegenwirkt, das aufgrund der Stromquelle im Leiter erzeugt wird. Damit der Strom gleich I wird, muss die Stromquelle gegen die Kräfte des Wirbelfeldes arbeiten. Diese Arbeit dient dazu, die Energie des Stroms zu erhöhen. Das Wirbelfeld leistet negative Arbeit.

Wenn der Stromkreis geöffnet wird, verschwindet der Strom und das Wirbelfeld leistet positive Arbeit. Die durch den Strom gespeicherte Energie wird freigesetzt. Dies wird durch einen starken Funken erkannt, der auftritt, wenn ein Stromkreis mit einer großen Induktivität geöffnet wird.

Ein Ausdruck für die Energie des Stroms I, der durch einen Stromkreis mit der Induktivität L fließt, kann auf der Grundlage der Analogie zwischen Trägheit und Selbstinduktion geschrieben werden.

Wenn die Selbstinduktion der Trägheit ähnlich ist, dann sollte die Induktivität bei der Erzeugung eines Stroms die gleiche Rolle spielen wie die Masse bei der Erhöhung der Geschwindigkeit eines Körpers in der Mechanik. Die Rolle der Geschwindigkeit eines Körpers in der Elektrodynamik spielt die Stromstärke I als Größe, die die Bewegung elektrischer Ladungen charakterisiert. Wenn dies der Fall ist, dann kann die Energie des Stroms W m als eine Größe angesehen werden, die der kinetischen Energie des Körpers ähnlich ist - in Mechanik, und schreiben Sie in das Formular.